chapter 1-计算机组成原理概述

1、Confederal Confidential1计算机组成原理计算机组成原理Confederal Confidential2计算机专业的计算机专业的核心专业基础硬件类课程核心专业基础硬件类课程，介绍计算机各主要组成，介绍计算机各主要组成部件部件( (运算器、控制器、存储器、总线运算器、控制器、存储器、总线) )的结构、工作原理、设计的结构、工作原理、设计方法以及组成整机的有关技术。方法以及组成整机的有关技术。课程简介构建软构建软/ /硬件协同的系统观硬件协同的系统观! !为什么学习计算机组成原理？培养懂硬件的软件工程师或懂软件的硬件工程师！培养懂硬件的软件工程师或懂软件的硬件工程师！Confe

2、deral Confidential3 计算机计算机组成原理组成原理数字逻辑电路数字逻辑电路 汇编语言汇编语言 计算机系统结构计算机系统结构 微机接口技术微机接口技术操作系统操作系统应用应用其它基础课其它基础课 基础课基础课 专业基础课专业基础课 专业课专业课编译系统课程地位Confederal Confidential4第一章第一章 计算机系统概述计算机系统概述 3学时学时 第二章第二章 数据信息的表示数据信息的表示 5学时学时 （习题课与测试）（习题课与测试）第三章第三章 运算方法与运算器运算方法与运算器 8学时学时（习题课与测试）（习题课与测试）第四章第四章 存储系统存储系统 12学时学

3、时 （习题课与测试）（习题课与测试）第五章第五章 指令系统指令系统 4学时学时 第六章第六章 中央处理器中央处理器 10学时学时第七章第七章 流水线流水线 技术技术 8学时学时第八章第八章 系统总线系统总线 4学时学时第九章第九章 输入输入/输出系统输出系统 6学时学时 （最后一次课总复习与测试）（最后一次课总复习与测试） 教学安排Confederal Confidential5作业、考勤、测试作业、考勤、测试: : 2 20%0%课程实验课程实验:20%:20% -要求按照实验报告要求书写要求按照实验报告要求书写课外实验课外实验/ /报告报告:10%-:10%-要求按照实验报告要求书写要求按

4、照实验报告要求书写期末考试期末考试:50%:50% 无故缺课无故缺课1/31/3或无故不交作业达到或无故不交作业达到1/3,1/3,不能参加课程的期末考试不能参加课程的期末考试; ; 发现抄袭作业者发现抄袭作业者, ,作业平时成绩按作业平时成绩按0 0分记分记; ;发现实验报告抄袭者发现实验报告抄袭者, ,实实验成绩按验成绩按0 0分记。分记。课程成绩与组成Confederal Confidential6 系统观系统观 + + 构造观构造观 的学习视角和学习方法的学习视角和学习方法 勤动手：查阅相关资料并动手实验勤动手：查阅相关资料并动手实验 ( (做中学做中学) ) Logisim 或者 X

5、ilinx Vivado硬 多阅读：阅读学科前沿资料、阅读经典著作多阅读：阅读学科前沿资料、阅读经典著作( (研究性学习研究性学习) )本课程的学习过程中应注意的问题方法Confederal Confidential7参考书参考书: :1(1(美美)RANDAL E.BRYANT)RANDAL E.BRYANT；DAVID ODAVID OHALLARON. HALLARON. 深入理解计算机系统深入理解计算机系统( (修订版修订版). (08). (08年度畅销榜年度畅销榜TOP50) .TOP50) .中国电力出版社中国电力出版社. .2(2(荷荷)ANDREW S.TANENBAUM.)

6、ANDREW S.TANENBAUM.计算机组成结构化方法计算机组成结构化方法( (英文影印英文影印版版)()(第第5 5版版).).人民邮电出版社人民邮电出版社. .33( (美美)DAVID A.PATTERSON)DAVID A.PATTERSON；JOHN L.HENNESSY.JOHN L.HENNESSY.计算机组成与设计计算机组成与设计硬件硬件/ /软件接口软件接口( (原书第原书第3 3版版).).机械工业出版社机械工业出版社. .4Carl Hamacher Zvonko Vranesic Safwat Zaky4Carl Hamacher Zvonko Vranesic S

7、afwat Zaky著著. .计算机组成计算机组成. . 机械工业出版社机械工业出版社. .55唐朔飞唐朔飞. . 计算机组成原理计算机组成原理( (第第2 2版版).).高等教育出版社高等教育出版社. .66白中英、戴志涛、周锲等白中英、戴志涛、周锲等. .计算机组成原理计算机组成原理. .科学出版社科学出版社. .秦磊华秦磊华 吴非吴非 莫正坤莫正坤. . 计算机组成原理计算机组成原理. . 清华大学出版社清华大学出版社,2012,2012教材及参考书Confederal Confidential8http:/ Confidential9http:/inst.eecs.berkeley.e

8、du/cs61c/su08/ (UC Berkeley Machine Structure)/cs150/sp09/ (UC Berkeley Components and Design Techniques for Digital System)/cs152/sp09/ (美国UC Berkeley Computer Architecture and Engineering)/class/ee108b (美国Stanford Digita

9、l SystemII )/ece447/ ( Carnegie Mellon Introduction to Computer Architecture )/courses/electrical-engineering-and-computer-science/ Mit计算机科学与工程系计算机系列课程网站计算机科学与工程系计算机系列课程网站学习资源参考Confederal Confidential10课程实验（原来）Confederal Confidential11课程实验（现在）Confederal Confiden

10、tial12一、计算机系统概述一、计算机系统概述 （知识点）（知识点）1.1.计算机系统的组成及各部分的功能计算机系统的组成及各部分的功能 冯诺依曼计算机的思想冯诺依曼计算机的思想 五大组成部分及其功能五大组成部分及其功能2.2.计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 分层结构及分层的优点分层结构及分层的优点 每层的作用和特点每层的作用和特点 硬件与软件的关系硬件与软件的关系3.3.计算机的性能指标和性能评价计算机的性能指标和性能评价 非时间指标非时间指标: :字长、主存容量字长、主存容量 时间相关的性能指标：时间相关的性能指标： 主频、主频、CPUCPU执行时间、执行时间、CPI CPI

11、、MIPSMIPS、MFLOPSMFLOPSConfederal Confidential13 基本思想：基本思想：存储程序和程序控制存储程序和程序控制 关注关注: : 原理与结构之间的对应关系原理与结构之间的对应关系1. 计算机系统的工作原理及各部分功能1)1)工作原理工作原理Confederal Confidential141. 计算机系统的工作原理及各部分功能Confederal Confidential152)2)运算器运算器 算术算术/ /逻辑运算、比较、转移和测试等功能逻辑运算、比较、转移和测试等功能 根据运算的结果设置条件状态寄存器根据运算的结果设置条件状态寄存器条件状态寄存器条

12、件状态寄存器1. 计算机系统的工作原理及各部分功能（溢出、结果为零、结果为负、（溢出、结果为零、结果为负、结果为正数等）结果为正数等）Confederal Confidential16 指挥协调计算机其他部件进行工作的重要部件。控制器指挥协调计算机其他部件进行工作的重要部件。控制器根据不同的指令，产生指令执行过程中所需要的控制信号。根据不同的指令，产生指令执行过程中所需要的控制信号。3)3)控制器控制器1. 计算机系统的工作原理及各部分功能Confederal Confidential17(1)(1)保存程序、数据和中间结果的场所保存程序、数据和中间结果的场所(2)(2)基于地址访问基于地址访

13、问(3)(3)常用的单位和之间的换算关系常用的单位和之间的换算关系位位bitbit字节字节-B-Byteyte 1Byte=8bit1Byte=8bit KB 1KB=1024B KB 1KB=1024B （需要（需要1010位地址线）位地址线） MB 1MB=1024KB MB 1MB=1024KB （需要（需要2020位地址线）位地址线） GB 1GB=1024MB GB 1GB=1024MB （需要（需要3030位地址线）位地址线） TB 1TB=1024GB TB 1TB=1024GB （需要（需要4040位地址线）位地址线） PB 1PB=1024TB PB 1PB=1024TB （

14、需要（需要5050位地址线）位地址线） EBEB 1 1E EB=1024B=1024P PB B （需要（需要6 60 0位地址线）位地址线）4)4)主存储器主存储器(Memory)(Memory)1. 计算机系统的工作原理及各部分功能Confederal Confidential18关于关于Prefixes for binary multiplesPrefixes for binary multiples的两种体系：的两种体系： International Electrotechnical Commission (IEC:国际电工委员会国际电工委员会)International Syste

15、m of Units (SI:国际单位制符号国际单位制符号)详细内容：详细内容：/cuu/Units/binary.htmlConfederal Confidential19(5)(5)输入和输出设备输入和输出设备1. 计算机系统的工作原理及各部分功能 提供人提供人-机接口机接口 常用的输入设备：常用的输入设备： 键盘、鼠标、扫描仪、磁带机等键盘、鼠标、扫描仪、磁带机等 常用的输出设备：常用的输出设备： 显示器、打印机、绘图仪、磁带机等显示器、打印机、绘图仪、磁带机等Confederal Confidential20( (6 6) )系统互连系统互连

16、1. 计算机系统的工作原理及各部分功能 基于总线的基于总线的系统互连系统互连 基于专用通道结构基于专用通道结构的系统互连的系统互连Confederal Confidential21 冯诺依曼计算机的基本体系结构和哈佛结构冯诺依曼计算机的基本体系结构和哈佛结构 冯诺依曼体系结构计算机冯诺依曼体系结构计算机:Intel 80X86:Intel 80X86、 ARM7ARM7、 MIPSMIPS等。等。 哈佛结构计算机：哈佛结构计算机：Motorola MC68Motorola MC68、Zilog Z8Zilog Z8、ARM9ARM9、ARM10ARM10、ARM11ARM11等。等。 现代计算

17、机多是现代计算机多是CacheCache采用哈佛结构，主存采用采用哈佛结构，主存采用冯诺依曼结构。冯诺依曼结构。 未来的计算机体系结构未来的计算机体系结构 1. 计算机系统的工作原理及各部分功能Confederal Confidential221. 计算机系统的工作原理及各部分功能End of Moores lawVLSI technology predicted not to scale pass 2015 Transistor size will be measured in atoms and node charge will be measured in electrons! BTW,

18、 this doesnt mean VLSI is finished, just no more scalingmany previously-unimportant problems will start to creep in between now and then, e.g., complexity, wire delay, power and reliability Non-von Neumann architecturesparallel and distributed processingreconfigurable hardware computing Non-silicon

19、technologiesnanotechnologies: carbon nanotubes, molecular switchesbiological/cellular computers: DNA, proteins and enzymesquantum computers: magnetic resonance and quantum dots.Future of ComputersConfederal Confidential23不同的级面向不同的用户，采用不同的程序设计方法和不同的设计工具不同的级面向不同的用户，采用不同的程序设计方法和不同的设计工具, ,得到的目标代码性能也不同。得

20、到的目标代码性能也不同。2. 计算机系统的层次结构 层次视角的计算机层次视角的计算机Confederal Confidential241)1)软件和硬件的逻辑等价性软件和硬件的逻辑等价性2)2)透明性透明性: : 本来存在的事物，从某个角度去看却好象不存在。本来存在的事物，从某个角度去看却好象不存在。3)3)计算机分层结构中的透明性计算机分层结构中的透明性: : 一般机器级的特性一般机器级的特性( (如通用寄存器的数量如通用寄存器的数量) )对高级语言程序设计者透明对高级语言程序设计者透明 微指令的格式对一般机器级程序设计者透明微指令的格式对一般机器级程序设计者透明2. 计算机系统的层次结构

21、Confederal Confidential252. 计算机系统的层次结构 还有哪些其它视角的计算机还有哪些其它视角的计算机? 安全视角安全视角 节能视角节能视角 其它用户视角等其它用户视角等 .Confederal Confidential261)1)非时间指标非时间指标(1)(1)机器字长机器字长: : 指参与运算的数据位数；指参与运算的数据位数； 由加法器、寄存器的位数决定；由加法器、寄存器的位数决定； 一般等于内部寄存器的位数（字长）；一般等于内部寄存器的位数（字长）； 字长越长，表示数据的范围就越大，计算精确度越高；字长越长，表示数据的范围就越大，计算精确度越高； 常见的计算机为常

22、见的计算机为3232位和位和6464位计算机。位计算机。3.计算机系统的性能评价Confederal Confidential27(2)(2)数据总线宽度数据总线宽度指数据总线一次能并行传送的信息位数。指数据总线一次能并行传送的信息位数。 一般指运算器与存储器之间的数据总线位数。一般指运算器与存储器之间的数据总线位数。 有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致：有些计算机内部与外部数据总线宽度不一致： 80868086、8028680286、8038680386内外数据总线等宽；内外数据总线等宽； 80888088、80386SX 80386SX 外部总线宽度外部总线宽度8 8位内部总线宽度位内

23、部总线宽度1616位；位； PentiumPentium外总线外总线6464位，内总线位，内总线3232位（两条位（两条3232位流水线）位流水线）3.计算机系统的性能评价Confederal Confidential28(3)(3)主存储器容量和带宽主存储器容量和带宽 主存容量是指其包含的存储单元总数量。主存容量是指其包含的存储单元总数量。 主存可以主存可以字节字节编址（操作系统）、也可以编址（操作系统）、也可以字字编址。编址。 存储带宽存储带宽: :指单位时间内从存储器中读出的二进制信息量，常用指单位时间内从存储器中读出的二进制信息量，常用单位单位B/sB/s（字节（字节/ /秒）表示。（

24、对应到存储带宽的指标包括：数据秒）表示。（对应到存储带宽的指标包括：数据位和传输速率）位和传输速率）3.计算机系统的性能评价Confederal Confidential292)2)时间指标时间指标3.计算机系统的性能评价(1)(1)主频主频f/f/时钟周期时钟周期T Tf f与与T T互为倒数。互为倒数。 T T也称为节拍周期，是处理操作最基本的时间单位。也称为节拍周期，是处理操作最基本的时间单位。CPUCPU主频越高，主频越高，T T周期时间就越短（周期时间就越短（f=100MHzf=100MHz时，时，T=10nsT=10ns；f=1GHzf=1GHz时，时，T=1nsT=1ns）Con

25、federal Confidential30(2)CPI (Clock cycles Per Instruction)(2)CPI (Clock cycles Per Instruction) 执行一条指令所需要的平均时钟周期数执行一条指令所需要的平均时钟周期数( (即即T T周期的个数周期的个数) )CPI =CPI =程序中所有指令的时钟周期数之和程序中所有指令的时钟周期数之和/ /程序中指令总数程序中指令总数 = = 程序中各类指令的程序中各类指令的CPICPI 程序中该类指令的比例程序中该类指令的比例3.计算机系统的性能评价Confederal Confidential31(3)MIP

26、S (Million Instructions Per Second(3)MIPS (Million Instructions Per Second) 表示每秒执行的指令条数表示每秒执行的指令条数( (以百万为单位以百万为单位) )MIPSMIPS106= =指令条数指令条数执行时间执行时间 CPU CPU时钟周期之和时钟周期之和= =指令条数指令条数 106/f/ffCPICPI= 1063.计算机系统的性能评价Confederal Confidential32(4)(4)MFLOPS(Million Floating-Point Operations Per Second)MFLOPS(M

27、illion Floating-Point Operations Per Second) 描述计算机每秒执行描述计算机每秒执行浮点操作次数浮点操作次数，而不是，而不是MIPSMIPS所衡量的单位所衡量的单位时间内执行的时间内执行的指令条数指令条数。 MFLOPS = MFLOPS = 程序中的浮点运算次数程序中的浮点运算次数/(/(执行时间执行时间 10106 6 ） 3.计算机系统的性能评价Confederal Confidential33(5)CPU(5)CPU执行时间执行时间 执行一段程序所需要的时间执行一段程序所需要的时间 ( (CPUCPU时间时间+I/O+I/O时间时间+ +存储访

28、问存储访问+ +各类排队时延等各类排队时延等) )。 CPUCPU时间时间= = 程序中所有指令的时钟周期数之和程序中所有指令的时钟周期数之和 时钟周期时间时钟周期时间 = =程序中所有指令的时钟周期数之和程序中所有指令的时钟周期数之和 / / 时钟频率时钟频率 ( (回顾汇编语言课程中延时子程序的设计原理回顾汇编语言课程中延时子程序的设计原理) )3.计算机系统的性能评价Confederal Confidential34MIPSMIPS 指令条数指令条数 106程序的执行时间程序的执行时间Te =Te =1()niIiICCPI=时钟周期时间总指令数 考虑考虑CPICPI后的后的CPUCPU时间可表示为时间可表示为: : CPUCPU时间时间= = ICi表示程序中第表示程序中第i类指令的条数类指令的条数 考考MIPSMIPS后的后的CPUCPU时间可表示为时间可表示为: :3.计算机系统的性能评价Confederal Confidential35(6)(6)应用举例应用举例例例1 1 若某计算机主频为若某计算机主频为1GHZ1GHZ，在其上运行目标代码，在其上运行